基于實時采集指令域示波器的數控機床 加工工藝參數優化

秦洪浪

摘 要：數控機床加工工藝參數一般都會處于線下進行優化設計，于是為了提高工藝參數優化的便捷性和有效性，文章提出了一種基于實時采集指令域示波器的機床加工工藝參數優化方式。這種方式能夠在數控機床加工過程中，通過對各種相關數據的收集和存儲，然后對收集的大數據進行分析，于是可以實現在線狀態上對加工工藝參數進行優化。這種優化方式比較簡單，而且能夠提高數控機床加工的效率，能夠在實際零件加工中發揮一定的作用。

關鍵詞：指令域示波器;數控機床;參數優化

中圖分類號：TG659? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）09-0138-04

Optimization of CNC Machine Tool Processing Parameters Based on Real-time Acquisition Command Domain Oscilloscope

Qin Honglang

（Shaanxi Polytechnic Institute， Xianyang 712000， China）

Abstract：The processing parameters of CNC machine tools are generally optimized offline. Therefore， in order to improve the convenience and effectiveness of the optimization of the process parameters， the paper proposes a method of optimizing the processing parameters of the machine tool based on the real-time acquisition command domain oscilloscope. This method can collect and store various related data during the processing of CNC machine tools， and then analyze the collected big data， so that the processing process parameters can be optimized on-line. This optimization method is relatively simple， and can improve the efficiency of CNC machine tool processing， and can play a certain role in actual parts processing.

Key words：command domain oscilloscope; CNC machine tool;parameter optimization

當前對數控機床加工工藝參數進行優化時會在離線狀態下進行，這種方式不利于系統的優化便捷性，雖然也有在線上對工藝參數進行優化設計，但是沒有和數控系統插補周期同步[1-2]。對參數進行優化時，其中需要涉及到數據的處理，然而其中數據處理方式比較多，比如時域或者頻域方法、數值分析等方法，在數控加工方面，其中非常重要的就是G代碼程序，對機床后續所以動作起決定性作用[3-5]。文章提出了一種基于實時采集指令域示波器的參數優化方式，通過對加工過程中的大數據進行分析利用，從而實現線上工藝優化設計，在一定程度促進了數控機床的加工效率。

1 指令域工藝參數優化模塊

我國的高檔數控系統相比于國外來講，技術比較落后，導致在數控加工領域中國外的品牌占據中國的主要市場[6]。數控系統在工作過程中，無法對其中的大數據進行拷貝，所以難以進行相關研究。文章通過對某型號的高檔數控系統進行深入研究，對其進行優化設計，開發了一種嵌入式的指令域工藝參數優化模塊，有助于提高高檔數控系統的綜合性能。

1.1 加工過程數據模塊和工藝參數優化模型

系統在工作過程中，其中涉及到很多工藝參數都會影響零件的加工質量，如果對這些相關參數進行優化，在很大程度上可以提高系統的加工效果。在機床加工過程中通過使用指令域示波器可以獲取相關的大數據，然后系統會實時對數據進行采集，并且對其進行分析，從而可以實現在線優化相關參數。圖1即為指令域示波器的工藝參數優化流程。

數控加工過程中，其中電機的運行模式是恒轉矩模式，然后其他電流處于一種穩定狀態，但是在實際的加工過程中，會存在很多的加工條件差異，于是就會導致電機并不是處于恒定狀態，所以電機在工作過程中沒有發揮出全部實力[7-8]。為了解決這個問題，人們通過人為對局部地方進行修改，這種修改方式并不較大程度提高加工效率。所以文章將以電流為優化目標，保證電流的平衡，然后提高系統的加工效率和質量。優化函數關系表達式如下：

其中，Vx、Vy、Vz表示的是優化后進給速度值，i和v分別表示的是各個進給軸電流和速度值。

系統在工作過程中進給速度和電流的數據會被指令域示波器實時采集，可能會出現采集的數據量過大而導致無法全部保存，此時就會使用移動平均計算行特征值。表達公式如下：

其中，Mt1表示的是當前時刻平均電流，dn+1表示的是當前采集值，St0表示的是上一時刻的平均電流，n表示的是當前采樣點個數。

指令域示波器需要能夠同時采集不同的數據信息，這樣就能夠保證數據的準確性，然后通過指令域特征提取，對數據進行分析時，并不需要對所有數據進行分析，只需要對插補行特征值即可，所以在一定程度上可以提高數據分析效率。優化后新進給速度值F的表達公式如下：

其中，k表示的是優化系數，k≤1，M表示的是全加工周期平均電流，f 表示的是優化前后進給速度值，m表示的是某插補行平均電流。其中優化系數k對整個公式的影響比較大，因為k值不同，優化效果就會不一樣。在實時優化過程中，在每行的后面會新加入一個模態F值。

數據機床在加工過程中，會通過時域波形以插補周期的方式實時顯示加工狀態，這種顯示方式屬于微觀顯示，然后還能夠通過指令柱狀波形以插補行的方式對加工狀態進行統計，這種方式屬于宏觀顯示，所以在加工過程中通過使用宏觀和微觀相結合的方式進行顯示，更有助于提高系統的優化和分析過程。

1.2 指令域分析軟件模塊設計

指令域示波器軟件屬于數控系統中的一個分析模塊，所以該軟件能夠同時擁有指令領域分析和時域分析。指令域示波器的主要作用是收集相關的加工狀態數據，并且能夠將大數據在時域界面進行波形顯示，如圖2所示，還能夠對數據進行保存和查找等操作。圖2中橫坐標有兩行，分別為時間軸和G代碼行號軸。然而在指令域界面中，如圖3所示，是以一種柱狀圖的方式進行顯示，其中橫坐標表示的是G代碼行，縱坐標表示的是行特征提取，能夠將最大值或者平均值等數據進行顯示，還能夠將G代碼程序的工藝參數進行修改，還能夠對特征數據進行動態保存等操作。

指令域軟件采集的數據主要包含兩個方面，第一個就是系統內部通過加工產生的大數據，第二個就是機床傳感器信息，其中大部分信息來自于外部傳感器，其中涉及到的接入方式如圖4所示。

軟件示波器可視化功能開發主要包含4點設計：

（1）通道同步設計。

（2）采樣結構設計。示波器模塊使用的是雙緩設計，其設計流程如圖5所示，其中包含一級緩沖，最大有16個通道，單通道能夠有10k個數據，能夠保證數據不被丟失，第二個緩沖只有一個通道，其中能夠包含100k個數據，并且該頻率和屏幕刷新頻率一致，所以在展示效果時能夠保證人眼視覺效果。

（3）波形可視化設計。這種設計方式有兩種表現形式，其中一種就是滿屏重繪，這種方式就是屏滿重繪，其數據點沒有上限，這種表現方式主要適用于狀態變化周期較長的信號，比如壓力等外部傳感器信號。另外一種就是循環滾動，這種方式得到的波形就會自適應窗口大小，然后還會實時調整窗口坐標，這種表現方式主要適用于狀態變化周期較短的信號，比如在加工作業時的信號，如速度、位置、跟隨誤差等。圖6為波形自適應調整算法設計流程圖。

圖6中的max和min分別表示的是波形當前可視范圍內的最大值和最小值，y表示的縱軸坐標零點，top_coord、bottom_coord分別表示的是示波器圖形界面的上界面和下界面，scale表示的y軸當前刻度值。另外，圖6中的各個變量的單位全部是像素。

（4）參數配置設計。指令域示波器的功能強大，不僅能夠對生產加工時的數據信息進行收集、對機床的零件進行優化，而且對生產加工當前的狀態進行可視化，能夠提高系統生產加工的效率和質量。參數配置界面設計的種類比較多，比如采樣方式、采樣通道、采樣周期、繪圖模式等，其中采樣通道比較方便，能夠對其配置任意的信號。圖7即為指令域示波器配置界面圖。如圖8所示即為機床加工過程中收集到的各種狀態心電圖。

2 優化實驗

根據某廠的要求，需要提高加工效率，從而降低零件加工的時間。優化實驗將以加工生產壁框類工件為優化對象，該零件的現場完成圖如圖9所示，然后根據要求對其進行G代碼優化設計，其中使用的數控系統內部集成指令域軟件模塊。加工的零件材料為鋁合金，屬于粗加工方式。加工過的過程如下：

（1）淺腔加工。進行淺腔加工時，其中切削深度為62mm，其中使用D28短刀和立銑刀的切削總深度為44mm，在切削過程中不能一次全部切削完成，需要將其分為3次，分別切削10mm、17mm和17mm，兩種刀的原G代碼中主軸轉速分別為1000r/min和360r/min，進給量分別為400mm/min和150mm/min。通過優化之后的短刀時間效率提高了24.3%。長刀優化之后，其效率提高了37.5%。

（2）深腔加工。對零件進行深腔加工時，其總的切削深度為65mm，其中使用D28立銑刀短刀需要切削的深度為47mm，同樣需要對其進行三次切削，三次的深度分別設置為13mm、17mm和17mm。然后長刀和短刀的原G代碼中主軸轉速和進給量與淺腔加工的設置一致。然后對短刀優化前和優化后的加工時間進行對比，發現優化后的切削效率提高了27.5%，長刀優化后的效率提高了37%。優化前后G代碼如圖10所示。

通過優化實驗可知，采用實時采集指令域示波器對系統加工負載電流優化進給速度，在該薄壁零件的加工上能夠顯著提高加工效率，在淺腔加工上工作效率提高了37.5%，另外在深腔加工效率也提高了37%，所以基于這種示波器，通過對數控加工機床的相關參數進行優化設計，能夠有效提高加工效率，從而為企業帶來更大的效益。

3 結語

文章通過對某高檔數控系統進行優化設計，基于實時采集指令域示波器，能夠獲取更多的大數據，然后對其進行分析利用，從而有助于對參數進行優化設計，能夠對數控機床在工作時的狀態進行實時檢測，能夠及時對相關參數進行優化設計。這種數控機床在傳統的機床基礎上，能夠對數據進行采集并且存儲和分析，能夠在零件加工過程中對相關工藝參數進行優化設計，及時調整系統的運作狀態，使得數控機床的加工效率更高。我國的高檔數控機床發展沒有國外快，所以為了提高我國裝備的性能，需要對其進行不斷創新和優化設計。

參考文獻

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